高中物理选修35学案196 核裂变.docx

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高中物理选修35学案196核裂变

6　核裂变

[学习目标]1.知道什么是核裂变.2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能.3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及如何防止核污染．

一、核裂变和链式反应

[导学探究]　如图1为铀核裂变示意图．

图1

1．铀核裂变是如何发生的？

2．铀核裂变在自然界中能自发进行吗？

[知识梳理]　对核裂变和链式反应的理解

1．核裂变

重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的________，并放出______的过程．

2．铀核裂变

用______轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是

U＋______→

Ba＋

Kr＋______.

3．链式反应

由重核裂变产生的______使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．

4．链式反应的条件

（1）铀块的体积______或等于临界体积或铀块的质量______或等于临界质量．

（2）有足够数量的____中子．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）铀核的裂变是一种天然放射现象．（　　）

（2）铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．（　　）

（3）中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．（　　）

（4）铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变，同时放出三个中子．（　　）

二、核电站

[知识梳理]

1．核电站是利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：

（1）燃料：

______.

（2）慢化剂：

铀235容易捕获慢中子发生反应，采用______、重水或普通水作慢化剂；

（3）控制棒：

采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉__________的能力很强的特性，控制链式反应的速度．

2．工作原理

核燃料______释放能量，使反应区温度升高．

3．能量输出

利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却．

4．核污染的处理

在反应堆的外面需要修建很厚的________，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的__________，需要装入特制的容器，__________.

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．（　　）

（2）核反应堆用过的核废料无毒无害．（　　）

一、重核裂变与其释放核能的计算

1．常见的裂变方程

（1）

U＋

n―→

Xe＋

Sr＋2

n

（2）

U＋

n―→

Ba＋

Kr＋3

n

2．链式反应发生的条件

（1）铀块的体积大于或等于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．

（2）有足够浓度的铀235.

（3）有足够数量的慢中子．

3．裂变反应的能量

铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧释放的化学能，裂变时能产生几百万度的高温．

4．铀的同位素中铀235比铀238更容易发生链式反应．

例1　关于重核的裂变，下列说法正确的是（　　）

A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量

B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应

C．重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少

D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能

重核裂变的实质：

（1）重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多中子的过程．

（2）重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小．所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量．

例2　用中子轰击铀核（

U），其中的一个可能反应是分裂成钡（

Ba）和氪（

Kr）两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：

mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg；

mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.

试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．

铀核裂变释放核能的计算

（1）首先算出裂变反应中的质量亏损Δm.

（2）根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能．

（3）若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核（设为n），则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.

二、核电站

1．核电站的主要部件及作用如下表：

　　　部件

项目　名称

慢化剂

控制棒

热循环介质

保护层

采用的材料

石墨、重水或普通水（也叫轻水）

镉

水或液态的金属钠

很厚的水泥外壳

作用

降低中子速度，便于铀235吸收

吸收中子，控制反应速度

把反应堆内的热量传输出去

屏蔽射线，防止放射性污染

2.核电站发电的优点

（1）消耗的核燃料少．

（2）作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大．

（3）对环境的污染要比火力发电小．

例3　如图2是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是（　　）

图2

A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应

B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应

C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些

D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些

1．（多选）关于核反应堆，下列说法正确的是（　　）

A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能

B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．石墨的作用是吸收中子

D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

2．一个

U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为

U＋

n→X＋

Sr＋2

n，则下列叙述正确的是（　　）

A．X原子核中含有86个中子

B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加

D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少

3．（多选）秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电．发电站的核能来源于

U的裂变，下列说法正确的是（　　）

A．反应堆中核反应速度通常是采用调节

U的体积来控制的

B.

U的一种可能的裂变是

U＋

n―→

Xe＋

Sr＋2

n

C.

U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短

D．一个

U裂变能放出200MeV的能量，即3.2×10－11J

4．一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是23592U＋

n→13654Xe＋

Sr＋10

n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于（　　）

A．（M－m1－m2）c2

B．（M＋m－m1－m2）c2

C．（M－m1－m2－9m）c2

D．（m1＋m2＋9m－M）c2

[答案]精析

知识探究

一、导学探究　1.铀核的裂变

（1）核子受激发：

当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．

（2）核子分裂：

核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．

2．重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生，故铀核裂变不会自发地进行．要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应．

知识梳理　1.新原子核　核能　2.中子　

n

3

n　3.中子　4.

（1）大于　大于　

（2）慢

即学即用　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×

二、知识梳理　1.反应堆　

（1）铀棒　

（2）石墨

（3）吸收中子　2.裂变　3.循环流动

4．水泥层　放射性　深埋地下

即学即用　

（1）√　

（2）×

题型探究

例1　D　[核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于或等于临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C错误．]

例2　

n＋

U―→

Ba＋

Kr＋3

n　3.2202×10－11J

[解析]　根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就可以写出核反应方程．根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．

铀核裂变方程为

n＋

U―→

Ba＋

Kr＋3

n，

则核反应前后的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－28kg，

由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×（3×108）2J＝3.2202×10－11J.

例3　B　[快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误．]

达标检测

1．ABD　2.A　3.BD　4.C